胡小剛, 鄭永, 謝紹祥, 郭曉軍, 張亞新

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司,湖南 株洲 412007)

0 引 言

艉軸會(huì)對(duì)船舶整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大振動(dòng),合理控制艉軸振動(dòng)具有重要意義[1]。大型船舶艉軸加長(zhǎng),這對(duì)控制長(zhǎng)艉軸振動(dòng)提出更高的要求。目前,大多采用有限元方法對(duì)艉軸安裝過程進(jìn)行仿真,分析艉軸的變形撓度,優(yōu)化安裝方法[2]。為消除艉軸架強(qiáng)度過度設(shè)計(jì),考慮耦合的內(nèi)力計(jì)算理論需要結(jié)合實(shí)際情況才更為精確[3]。

在船舶建造中,國內(nèi)通過制定輕量化的艉軸架設(shè)計(jì)參數(shù),來實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)效益[4]。然而,艉艙段的振動(dòng)噪聲控制非常復(fù)雜,動(dòng)機(jī)不平衡、齒形誤差、軸不對(duì)中、殼體局部共振、軸承摩擦、艉軸在自身軸線振動(dòng)、潤(rùn)滑品質(zhì)變差以及澆鑄缺陷等,都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲[5-6]。提高艉軸組件加工精度,采用低噪聲設(shè)備等方法雖然可以減少振動(dòng),但對(duì)設(shè)備和技術(shù)人員等的要求很高,時(shí)間成本、經(jīng)濟(jì)成本也往往難以承受。船舶軸系的不對(duì)中或者彎曲使得艉軸的運(yùn)動(dòng)振幅增大,一旦超過艉軸與軸頸間隙時(shí)會(huì)引起二者的摩擦,從而影響船舶軸系的正常運(yùn)行與船舶動(dòng)力系統(tǒng)的功能發(fā)揮[7]。

目前,隔振器是機(jī)械設(shè)備減振最常用、最有效的方法之一,考慮到軸系對(duì)中等問題,隔振器剛度不能過低,限制了隔振器性能的進(jìn)一步提高[8]。阻尼材料減振技術(shù)簡(jiǎn)單實(shí)用,但其只對(duì)中、高頻振動(dòng)有效,對(duì)低頻振動(dòng)效果不明顯,且受耐油、耐高溫性能的影響,應(yīng)用范圍有限。為進(jìn)一步降低船舶艉軸的振動(dòng)噪聲,本文研究一款橡膠動(dòng)力吸振器,通過CAE仿真分析及試驗(yàn),驗(yàn)證其有效性。

1 橡膠動(dòng)力吸振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

1.1 橡膠動(dòng)力吸振器技術(shù)對(duì)策與分析

在設(shè)計(jì)上,橡膠動(dòng)力吸振器直接在設(shè)備上安裝使用,需要充分考慮其兼容性、可靠性:一方面,需要對(duì)安裝目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)測(cè)繪分析,確定其許用安裝空間,確保在目標(biāo)設(shè)備上安裝的兼容性;另一方面,需要基于可靠性第一的原則優(yōu)選關(guān)鍵器件,在技術(shù)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和制造過程中,確保其性能和可靠性滿足要求。

在技術(shù)上,橡膠動(dòng)力吸振器減振可以在某型艉軸上得到應(yīng)用。橡膠動(dòng)力吸振器的組成結(jié)構(gòu)屬于非線性范疇,工程應(yīng)用的關(guān)鍵是掌握其設(shè)計(jì)思想、安裝和調(diào)試方法:(1)對(duì)目標(biāo)艉軸設(shè)備振動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)量分析,明確橡膠動(dòng)力吸振器的控制目標(biāo)[8];(2)開展理論仿真和實(shí)驗(yàn)研究,掌握其減振機(jī)理和快速調(diào)試方法;(3)運(yùn)用橡膠阻尼動(dòng)力吸振技術(shù)來降低目標(biāo)艉軸的振動(dòng)。

1.2 橡膠動(dòng)力吸振器建模與分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,對(duì)某型船舶艉軸設(shè)備的某個(gè)特定頻率進(jìn)行動(dòng)力吸振器設(shè)計(jì)。考慮到安裝位置和應(yīng)用條件,目標(biāo)設(shè)備處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài),且所針對(duì)的吸振頻率在一定范圍內(nèi)存在波動(dòng)情況,因此需要選用能滿足旋轉(zhuǎn)狀態(tài)且具有一定頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)功能的橡膠動(dòng)力吸振器。橡膠動(dòng)力吸振器的目標(biāo)設(shè)備系統(tǒng)可以將主系統(tǒng)簡(jiǎn)化為單自由度系統(tǒng),其質(zhì)量、剛度和阻尼為通過測(cè)試得到的等效值;在該系統(tǒng)上附加輔助系統(tǒng),輔助系統(tǒng)采用有橡膠阻尼的動(dòng)力吸振器。力學(xué)模型[9]見圖1。

注:m1—艉軸等價(jià)模態(tài)質(zhì)量;m2—橡膠動(dòng)力吸振器外圈質(zhì)量環(huán)的質(zhì)量;k1—艉軸等價(jià)模態(tài)剛度;k2—橡膠動(dòng)力吸振器剛度;c1—艉軸等價(jià)模態(tài)阻尼;c2—橡膠阻尼;x1—艉軸振動(dòng)位移;x2—振器振動(dòng)位移;F1—艉軸激振力幅

系統(tǒng)的動(dòng)力微分方程為

(1)

根據(jù)式(1),可以估算出目標(biāo)系統(tǒng)下所設(shè)計(jì)的橡膠動(dòng)力吸振器安裝時(shí)的吸振效果。為保證橡膠動(dòng)力吸振器在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都有較好的減振效果,在設(shè)計(jì)其參數(shù)時(shí),應(yīng)使P、Q定點(diǎn)的縱坐標(biāo)相等且成為主系統(tǒng)振動(dòng)頻率曲線上的最高點(diǎn),為滿足這一條件,最優(yōu)的吸振器參數(shù)如下:

(2)

為使減振效果達(dá)到預(yù)定要求,在滿足上述最優(yōu)參數(shù)的情況下,還應(yīng)使P、Q定點(diǎn)縱坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的振幅小于允許的振幅,即

(3)

式中:δst=F1/k1,即艉軸在與激勵(lì)力幅相等的靜力F1作用下產(chǎn)生的靜變形;A1,P為定點(diǎn)P的振幅峰值;A1,Q為定點(diǎn)Q的振幅峰值;A允許為艉軸額定運(yùn)行下的最大振幅。

根據(jù)式(1)～(3)進(jìn)行計(jì)算,并繪制出主系統(tǒng)振幅比頻響曲線,見圖2。圖中,f1和f2分別為P、Q定點(diǎn)峰值對(duì)應(yīng)的固有頻率;ξ=0表示無阻尼,類似純粹鋼彈簧結(jié)構(gòu);ξ=∞表示阻尼比無窮大,完全不振動(dòng);λ為激勵(lì)頻率與原有艉軸振動(dòng)固有頻率之比。

圖 2 主系統(tǒng)振幅比頻響曲線

橡膠動(dòng)力吸振器的設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)結(jié)果如下:質(zhì)量0.247 kg,等價(jià)質(zhì)量4.97 kg,質(zhì)量比0.05,剛度6 088.3 N/m,橡膠損耗因子0.26,吸振頻率25 Hz,最大振幅比5.4,定點(diǎn)P峰值對(duì)應(yīng)的固有頻率為22.607 Hz,定點(diǎn)Q峰值對(duì)應(yīng)的固有頻率為28.152 Hz。

2 仿真分析與效果驗(yàn)證

2.1 參數(shù)設(shè)計(jì)仿真分析

橡膠動(dòng)力吸振器的結(jié)構(gòu)示意見圖3,其內(nèi)環(huán)緊固結(jié)構(gòu)、中間彈性阻尼層、外圈質(zhì)量環(huán)通過硫化或粘結(jié)等形成半圓形組合體。用內(nèi)環(huán)小卡箍將2件半圓形組合體的內(nèi)圈固定環(huán)固定夾緊在艉軸上,用外環(huán)大卡箍將外圈質(zhì)量環(huán)夾緊,使得2件半圓形組合體成為一個(gè)整體,組成橡膠動(dòng)力吸振器。

注:1—外圈質(zhì)量環(huán);2—中間彈性體阻尼層;3—內(nèi)圈固定環(huán);4—卡箍一;5—卡箍二

運(yùn)行過程中的艉軸基頻振動(dòng)控制分為彎曲和扭轉(zhuǎn)2種形式。為更好地控制艉軸基頻振動(dòng),分別設(shè)計(jì)彎曲用動(dòng)力吸振器和扭轉(zhuǎn)用動(dòng)力吸振器2種形式,二者結(jié)構(gòu)尺寸相同,但質(zhì)量塊和彈性元件選用的橡膠材料各不相同。在HyperMesh中采用2階Hex20四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)置,網(wǎng)格單元為50 000～60 000個(gè)。橡膠部件采用mooney-rivlin超彈性系數(shù)C10、C01、D1賦值,選用2階完全積分單元C3D20H,自帶雜交公式來計(jì)算橡膠部件壓縮變形;其余金屬件采用C3D8R單元[10-11],選取線性減縮積分計(jì)算金屬部件的應(yīng)變。網(wǎng)格模型見圖4。

圖 4 吸振器網(wǎng)格模型

用有限元分析計(jì)算橡膠動(dòng)力吸振器的前4階約束模態(tài),計(jì)算結(jié)果見圖5。各階模態(tài)振型的頻率見表1。選擇不同的材料參數(shù),使其工作模態(tài)頻率滿足吸振特征頻率要求[12]。

(a)第1階

表 1 前4階模態(tài)振型頻率

用仿真計(jì)算得到的橡膠材料參數(shù)進(jìn)行動(dòng)力吸振器的膠料調(diào)配,適當(dāng)改變尺寸進(jìn)行動(dòng)力吸振器的硫化加工制造。對(duì)于彎曲用動(dòng)力吸振器,其控制頻率按第1階固有頻率取25 Hz,外圈質(zhì)量環(huán)選用鋁材,彈性元件選用丁腈橡膠,橡膠硬度55度(橡膠國標(biāo)邵氏硬度);對(duì)于扭轉(zhuǎn)用動(dòng)力吸振器,其控制頻率按第3階固有頻率取25 Hz(本文未給出,參照?qǐng)D5約束模態(tài)振型計(jì)算得到),外圈質(zhì)量環(huán)選用45#鋼,彈性元件選用硅橡膠,橡膠硬度為26度(橡膠國標(biāo)邵氏硬度)。

2.2 吸振效果驗(yàn)證仿真分析

對(duì)設(shè)備系統(tǒng)安裝橡膠動(dòng)力吸振器前后進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析,驗(yàn)證所設(shè)計(jì)橡膠動(dòng)力吸振器的吸振效果。用Adams軟件構(gòu)建艉軸模型,輸入實(shí)際測(cè)量到的振動(dòng)信號(hào)(頻域成分相同),計(jì)算橡膠動(dòng)力吸振器的減振效果[13]。

考慮到艉軸振動(dòng)工況分為彎曲和扭轉(zhuǎn)2種形式,分別對(duì)其進(jìn)行建模和仿真分析。圖6為艉軸彎曲工況下橡膠動(dòng)力吸振器三維模型和Adams分析模型,僅考慮艉軸垂向彎曲振動(dòng),因在計(jì)算過程中不能將軸承簡(jiǎn)單作為剛體處理,故采用彈簧代替。艉軸彎曲工況下橡膠動(dòng)力吸振器的控制目標(biāo)頻率為艉軸第1階基頻傾覆振動(dòng)頻率25 Hz,動(dòng)力吸振技術(shù)產(chǎn)生的反作用力能大大減小艉軸振動(dòng),此時(shí)可以將艉軸作為剛體處理、將橡膠動(dòng)力吸振器本身附加阻尼作為柔性體處理。

(a)三維模型

仿真過程中,在艉軸質(zhì)心施加單頻正弦激勵(lì),頻率為25 Hz、幅值為100 N,分別計(jì)算模型安裝橡膠動(dòng)力吸振器前后艉軸質(zhì)心處的振動(dòng)加速度響應(yīng)。橡膠動(dòng)力吸振器質(zhì)量為0.247 kg,艉軸質(zhì)量為9.925 kg。安裝橡膠動(dòng)力吸振器前后艉軸質(zhì)心振動(dòng)加速度響應(yīng)對(duì)比見圖7。安裝吸振器后,艉軸質(zhì)心振動(dòng)加速度響應(yīng)幅值從0.07 m/s2降低至0.025 m/s2,有效減小艉軸運(yùn)行過程中的25 Hz彎曲振動(dòng)。

(a)安裝動(dòng)力吸振器前

圖8為艉軸扭轉(zhuǎn)工況下橡膠動(dòng)力吸振器三維模型和Adams分析模型,橡膠動(dòng)力吸振器與艉軸之間添加扭簧,針對(duì)控制目標(biāo)頻率為艉軸第3階繞軸向平面內(nèi)扭轉(zhuǎn)振動(dòng),因軸承主要起垂向支撐功能,其扭轉(zhuǎn)剛度可忽略不計(jì)。

(a)三維模型

仿真過程中,艉軸仍視為剛體,在艉軸質(zhì)心施加單頻正弦扭矩激勵(lì),頻率為25 Hz、幅值為1 N·m,分別計(jì)算模型安裝吸振器前后艉軸質(zhì)心處的振動(dòng)角加速度響應(yīng)。橡膠動(dòng)力吸振器質(zhì)量為0.703 kg,繞中心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為4.895 4×10-3kg·m2,艉軸質(zhì)量為9.925 kg,繞中心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1.275 6×10-2kg·m2。

安裝吸振器前后艉軸質(zhì)心振動(dòng)角加速度響應(yīng)對(duì)比見圖9,可知安裝吸振器后,艉軸質(zhì)心振動(dòng)角加速度響應(yīng)的幅值降低超過50%,可以有效減小艉軸運(yùn)行過程中的25 Hz扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

(a)安裝動(dòng)力吸振器前

綜合分析結(jié)果,可以得到橡膠動(dòng)力吸振器的設(shè)計(jì)思想和使用方法:橡膠動(dòng)力吸振器的作用是減小艉軸在設(shè)備特征線譜頻率下的振動(dòng),當(dāng)橡膠動(dòng)力吸振器的調(diào)諧頻率與艉軸振動(dòng)激勵(lì)頻率相近或相等,且該動(dòng)力吸振器調(diào)諧頻率下的振型與艉軸的振動(dòng)情況一致時(shí),艉軸振動(dòng)就會(huì)不可逆地傳遞到該動(dòng)力吸振器上,從而降低艉軸的振動(dòng)。其中,在調(diào)諧頻率不變的情況下,橡膠動(dòng)力吸振器外圈質(zhì)量環(huán)的質(zhì)量越大,吸振效果越好。

橡膠動(dòng)力吸振器的彈性元件是有阻尼的橡膠,其作用在非共振區(qū),橡膠元件的阻尼越大,吸振效果越差;橡膠動(dòng)力吸振器具有一定的吸振頻帶寬度,當(dāng)設(shè)備特征線譜有一定波動(dòng)時(shí),仍具有較好的減振效果。因此,在設(shè)計(jì)橡膠動(dòng)力吸振器時(shí),需要設(shè)計(jì)合理的橡膠阻尼系數(shù)。

3 性能測(cè)試與效果驗(yàn)證

3.1 橡膠動(dòng)力吸振器性能測(cè)試

為確定所設(shè)計(jì)的橡膠動(dòng)力吸振器滿足設(shè)計(jì)要求,確保動(dòng)力吸振器的調(diào)諧頻率與控制頻率一致,在彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下橡膠動(dòng)力吸振器加工試制完成后,采用多點(diǎn)激勵(lì)單點(diǎn)響應(yīng)(MISO)方式進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)[14]。模態(tài)試驗(yàn)時(shí),通過移動(dòng)力錘激勵(lì)點(diǎn)測(cè)量單點(diǎn)加速度傳感器響應(yīng),前8個(gè)激勵(lì)點(diǎn)為在吸振器外圈質(zhì)量環(huán)端面上沿軸向分布,后8個(gè)激勵(lì)點(diǎn)為在外圈質(zhì)量環(huán)圓周頂部沿圓周切向分布,見圖10。

(a)外圈質(zhì)量環(huán)端面

根據(jù)艉軸彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下橡膠動(dòng)力吸振器外形尺寸和測(cè)點(diǎn)位置,建立如圖11所示的分析模型,并將加速度傳感器實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)輸入到模型中建立約束關(guān)系,約束關(guān)系見圖12。分別對(duì)其模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,識(shí)別出2種橡膠動(dòng)力吸振器主要階次的模態(tài)參數(shù),如模態(tài)頻率、阻尼、振型等。

艉軸彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下橡膠動(dòng)力吸振器的模態(tài)測(cè)試結(jié)果見圖13和14,可知在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,通過選用計(jì)算得到的質(zhì)量元件、橡膠膠料配方及硬度,基本可以確保艉軸在彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下橡膠動(dòng)力吸振器的調(diào)諧頻率約為25 Hz。

3.2 橡膠動(dòng)力吸振器裝機(jī)效果驗(yàn)證

測(cè)試加裝橡膠動(dòng)力吸振器前后艉軸的振動(dòng)值[15],驗(yàn)證橡膠動(dòng)力吸振器的吸振效果,艉軸振動(dòng)測(cè)點(diǎn)安裝示意見圖15。

(c)第3階模態(tài)頻率75.8 Hz,阻尼比14.54%

(c)第3階模態(tài)頻率26.32 Hz,阻尼比8.04%

圖 15 艉軸振動(dòng)測(cè)點(diǎn)安裝示意

艉軸按照1 500 r/min的額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行,在橡膠動(dòng)力吸振器外圈質(zhì)量環(huán)背面設(shè)置動(dòng)平衡矯正孔(見圖16),通過調(diào)整孔的數(shù)量、直徑以及配套安裝動(dòng)平衡矯正螺釘,達(dá)到動(dòng)平衡度要求。如果初始狀態(tài)動(dòng)平衡度滿足要求,也可以不開動(dòng)平衡矯正孔。

圖 16 動(dòng)平衡矯正孔示意

圖17所示為橡膠動(dòng)力吸振器安裝在艉軸測(cè)試樣機(jī)上的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。

A1、A3為軸承座頂端,A2、A4為軸承座端面。A1測(cè)點(diǎn)各方向頻譜曲線在考核頻率25 Hz的振動(dòng)值,見圖18和19。

圖 17 艉軸上橡膠動(dòng)力吸振器安裝測(cè)試示意

圖 18 未安裝橡膠動(dòng)力吸振器前各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)頻譜

圖 19 艉軸安裝橡膠動(dòng)力吸振器時(shí)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)頻譜

艉軸以額定工況運(yùn)行,測(cè)量該測(cè)試樣機(jī)在艉軸部位上安裝橡膠動(dòng)力吸振器前后的振動(dòng)加速度值,換算成噪聲值見表2。

表 2 A1測(cè)點(diǎn)各方向噪聲值 dB

由表2可知:

(1)艉軸彎曲工況下安裝橡膠動(dòng)力吸振器后,艉軸A1測(cè)點(diǎn)x方向(即艉軸徑向)的振動(dòng)加速度值降低超過3 dB。由于橡膠動(dòng)力吸振器質(zhì)量較小,且艉軸基頻振動(dòng)并不明顯,因此吸振器的減振效果仍有較大的提高空間,可將鋁材換成其他密度更大的金屬材料等。

(2)艉軸扭轉(zhuǎn)工況下安裝橡膠動(dòng)力吸振器后,該頻率與第4階模態(tài)(橡膠和外圈質(zhì)量環(huán)繞軸向平面內(nèi)扭轉(zhuǎn))相近,故在A1測(cè)點(diǎn)y方向(即艉軸軸向)出現(xiàn)較好的減振效果,達(dá)到4 dB以上的吸振效果。

4 結(jié) 論

本文研究橡膠動(dòng)力吸振器在某型號(hào)艉軸上的設(shè)計(jì)與應(yīng)用,形成一套合理可行的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)流程,為后續(xù)橡膠動(dòng)力吸振器的研究提供參考。